采样值差动保护在分频输电系统的应用

+ ωeψ
f
⎫
⎪⎪ ⎬
(4)
⎪
⎪⎭
is*q
= (Kω p
+
KωI s
)(ω*
− ω)⎫⎪ ⎬
(5)
is*d = 0
⎪⎭
图 2. 交交变频器的控制Baidu Nhomakorabea图
2.4 故障仿真波形
系统结构见图 1，以低频输电线路上距 N 侧 75km 处 1s 时发生 A 相直接接地短路为例，故障电流波形 如图 3 图 4。
i(kA)
Keywords: wind farms; FFTS; fast protection; sampled value differential protection
1 引言
风能是一种清洁能源，在我国如何实现风电的远距 离输送是一个极具现实意义的课题。文献 1 提出了适合 远距离水电输送的分频输电系统，该系统利用水电机组 转速低的特点，采用降低输电频率的方式减小输电系统 的电抗，以达到提高输电容量的目的。文献 2 用数字仿 真计算的方法深入研究了分频输电系统的效率及可行 性。文献 3 首次在动模实验室中搭建了相控式交交变频 器，实现了分频输电，证明了分频输电理论的正确性和 技术可实现性。文献 4 利用风电机组同样具有转速低的 特点将分频输电应用于风力发电系统，可以进一步优化 风力发电机组的传统结构，为解决我国远距离、大容量 风电接入系统提供了一种发输电方案。文献 5 指出分频 风电系统较广泛应用于风力发电系统的变速恒频机组 和变速变频机组接入方式相比具有成本低和可靠性高 等优点。
关键词：风力发电；分频输电系统；快速保护；采样值差动
Sampled Values Based Differential Protection for Fractional Frequency Transmission System
Wang Tianlin, Kang Xiaoning
College of Electrical Engineering of Xi’an Jiaotong University Email: williamaa@qq.com, kangxn@mail.xjtu.edu.cn
1.000
1.050
1.100
1.150
i(kA)
N-397
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
图 4. A 相直接接地短路 N 侧故障前后电流波形
N 侧为靠近直驱风力发电系统侧，低频线路发生 A 相接地短路故障后该侧三相电流相位基本相同，幅 值差别不大，且存在畸变，原因为该直驱风电机组的 控制策略对故障不平衡电流的抑制作用。M 侧是近交 交变频器侧，在 A 相接地短路情况下忽略电容电流其 BC 相故障电流幅值与 N 侧相等，由于参考方向相反， 其相位相反；A 相为故障相，电流幅值显著增大，且 相位也与 N 侧 A 相有较大偏差。由于交交变频器的加 入，M 和 N 侧的电流均存在谐波，需经低通滤波器滤 波之后再进行保护动作计算
Abstract: The fractional frequency transmission system (FFTS) is an effective approach to realize the long distance transmission of large-scale wind power. The complex control of power electronic devices and the need for speed of protection from lower frequency system leads that some conventional protections are inadequate in this system. The simulation model of direct-driven PMSG wind power fractional frequency system is built in this paper, and sampled values based differential protection on the low-frequency transmission lines is researched. The results shows that this protection could select the fault phase and operate correctly when choosing proper brake curve and operating criterion, which can provide reference for the pilot protection of transmission lines in fractional frequency system.
图 1. 直驱式永磁风电机组经分频系统接入电网结构图
2.1 风力机模型
风力机产生的机械功率可计算如下：
Pt
=
1 2
ρπ R2CP
(λ, β
)V 3
(1)
Pt 为风力机组的机械输出功率； ρ 为空气密度；
R 为风轮半径；CP 为风能利用系数；V 为风速；β 为
桨距角； λ 为叶尖速比。
2.2 直驱型风力发电系统的控制模型
图 5. 采样值差动动作特性
采样值差动的动作判据一般为：
id ≥ id 0 id ≥ KiT
当 当
iT iT
≤ >
iT 1 iT 1
⎫ ⎬ ⎭
(6)
id 为 差 动 电 流 ， iT 为 制 动 电 流 ， 本 文 采 用 iT = iM − iN / 2 作为制动电流。
3.2 采样值差动数据窗的确定
从故障后电流波形特点和分频系统对保护速动性 的要求出发可考虑配备采样值差动保护作为线路主保 护。
3 采样值差动保护原理
采样值差动保护工作原理是对每一个时刻的采样 值进行差动判别。与常规向量的差动保护相比较，采 样值差动具有动作速度快、计算量少等特点[6]。
3.1 采样值差动判据
如同传统的向量差动保护，采样值差动判据由折 线式的制动特性曲线构成，制动曲线如图 5 所示。
20.0 20.0 20.0
BC 两相 短路 24.8 24.6 24.6 24.8
24.6
BC 两相 接地 35.2 33.6 32.6 32.6
20.0
三相 短路
30.2 30.0 20.0 20.0 20.0
采样值为瞬时值，因此对于不同采样点其制动关 系也不相同。为保证采样值差动保护动作的正确性，
表 1. 80 取 75 保护动作情况
故障位置
0% 20% 内部 40% 故障 60% 80%
A 相经过渡电阻接地
0
50 100
20.0 20.0 20
20.0 20.0 40.0
20.0 20.0 20.0
20.0 20.0 21.0
2 分频风电系统仿真建模
本文采用分频风电系统结构为风电场永磁式直 驱风电机组发出的 50/3Hz 电能经低频升压变升至 110kV，再经 150km 线路输送至负荷中心，经交交变 频器变频为 50Hz 电能并入电网，其示意图如图 1。
2.3 交交变频器模型
本文采用的交交变频器为 12 脉波交交变频器，由 晶闸管构成，采用余弦交点法，无环流工作方式[3]， 控制方式见图 2。
iq* = 0
⎪⎭
机侧变流器采用零 d 轴控制策略和前馈解耦控制 策略，当转子磁场恒定时电磁转矩与 q 轴电流成正比 [12]。控制方程如下：
usd usq
= −(KP = −(KP
+ +
KI s KI s
)(is*d )(is*q
− isd ) + Rsisd − ωe Lsqisq − isq ) + Rsisq + ωe Lsd isd
网侧变流器采用电压矢量定向的双闭环控制[12]，
如下：
ud
=
−(KiP
+
KiI s
)(id*
− id ) + ed
− Rid
+
ω
Liq
⎫ ⎪⎪
⎬
(2)
uq
=
−(KiP
+
KiI s
)(iq*
− iq ) −
Riq
+ ωLid
⎪ ⎪⎭
id*
=
( K up
+
KuI s
)(U
* dc
−
U
dc
)
⎫ ⎪ ⎬
(3)
M侧线路三相电流 3.0
2.0
1.0
0.0
-1.0
-2.0
-3.0 0.950
1.000
1.050
1.100
1.150
图 3. A 相直接接地短路 M 侧故障前后电流波形
1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 -0.20 -0.40 -0.60 -0.80 -1.00
N侧线路三相电流 0.950
110kV 及以上线路可采用纵联保护作为主保护，其 中采样值电流差动保护与常规向量差动保护相比较具 有动作速度快、计算量少等特点[6]。文献 7 用数学方法 详细地分析了采样值差动的动作判据、判别数据窗的确 定以及模糊区等具体问题。文献 8 9 进一步探讨了关键 参数的取值以及动作特性。文献 10 指出采样值差动保 护可以解决电流互感器饱和问题和提高数字化变电站 抗异常数据能力。文献 11 提出一种用于远距离输电线 路保护的等传变瞬时值差动保护方法。
本文采用 PSCAD 搭建了分频输电系统仿真模型，
N-397
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
并在低频输电线路进行了故障仿真，观察其故障特征。 将故障仿真数据导入编写的采样值差动保护原理的程 序中进行计算，观察其动作性能，对制动曲线的和动作 判据的选取提出了意见。
该保护采用重复多次判别法，即 R 次采样判别若有 S 次及以上符合动作判据，则满足动作条件，输出动作 信号[6]。确保采样值差动保护的制动性能不低于常规 向量差动保护的角度分析得出[9]，判别数据窗对应的 角度θ 必须满足θ ≥ 90° 。
3.3 采样值差动动作模糊区
由于采样值差动保护需要靠重复性判别决定是否 动作，再加上采样值离散性的原因，导致采样值差动 在计算动作电流大小时存在一个模糊区。文献 9 和文 献 7 分别讨论了判据 id ≥ id 0 和 id ≥ KiT 的模糊区间问 题。若一周波内采样点数越多，则模糊区范围越小[12]。 在相同的 A/D 转换设备下，分频输电系统一周波采样 点数是工频系统的 3 倍。因此分频系统可以缩小采样 值差动保护动作模糊区范围，有利于提高其动作性能。
分频风电系统中的全功率变流器和交交变频器部
分引入了电力电子元件，使得系统不再能近似线性化， 无法使用叠加原理，使得已有的一些保护原理不再适 用。此外，在分频系统下，电压电流一周波的时间是工 频系统下的 3 倍，若使用通过全周傅式算法提取电压电 流信息的向量保护其数据窗将达到 60ms，无法满足电 力系统对高电压等级线路保护的速动性要求。因此研究 分频输电系统的线路保护是必要的。目前没有相关研究 文献。
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
采样值差动保护在分频输电系统的应用
王天霖，康小宁
西安交通大学电气工程学院 Email: williamaa@qq.com, kangxn@mail.xjtu.edu.cn
摘 要：分频风力发电系统是实现大规模风电远距离输送的一种有效方式。电力电子器件的引入以及 低频系统对保护速动性的要求导致一些现有保护不再适用于该系统。本文建立了永磁直驱分频风电系 统的仿真模型，研究了采样值差动保护在低频输电线路的保护性能。仿真结果表明当选取适当的制动 曲线和动作判据时该保护可以快速准确地选相动作，对分频系统线路纵联保护的研究起到一定的参考 作用。
4 分频系统下采样值差动保护动作特性仿真 结果
为了验证采样值差动保护在直驱式风力发电系统 低频输电线路上的动作性能，应用 PSCAD 建立图 1 模型进行仿真分析。考虑了大小系统阻抗、4 种故障 类型、单相接地 0~100Ω过渡电阻等情况，被保护线 路设置了 6 个内部故障点，2 个外部故障点。为了观 察更多的采样值动作情况，采样频率设置为 5kHz ， 采用 20 阶 FIR 截止频率为 200Hz 的低通滤波器。动 作门槛取 50A，比例制动系数取 0.5。判据采用 80 取 75 保护动作。故障位置为距 N 侧线路全长百分比。动 作时间单位为 ms，两相及三相短路以最慢故障相判断 动作时间为保护动作时间，“N”表示保护不动作。